Sistema de marquesina solar de 18 kW con almacenamiento de baterías solares

I. Introducción 

1. Antecedentes 

Ante la creciente demanda de electricidad y la mayor conciencia ambiental, la energía fotovoltaica está atrayendo cada vez más atención. Las marquesinas solares ecológicas pueden construirse como centrales solares distribuidas, combinando a la perfección la tecnología de generación de energía fotovoltaica con la propia arquitectura de la marquesina, lo que ofrece importantes beneficios económicos y sociales. La construcción de marquesinas solares aportará mayor comodidad a la vida de las personas.

2. Características de las marquesinas fotovoltaicas

Un sistema de generación de energía fotovoltaica convierte directamente la energía solar en energía eléctrica mediante paneles solares. Sus componentes principales son los módulos fotovoltaicos y los inversores. Generalmente, utiliza una estructura de soporte de acero, que resulta sencilla, elegante y estéticamente atractiva. Entre sus características prácticas se incluyen una alta fiabilidad, una larga vida útil, la ausencia de contaminación ambiental, la capacidad de generar electricidad de forma independiente o conectarse a la red, y el hecho de ser una fuente de energía limpia y respetuosa con el medio ambiente, que contribuye a aliviar las presiones sociales, ambientales y energéticas. Goza de gran aceptación entre los inversores y presenta amplias perspectivas de desarrollo.

3. Ventajas de la instalación de sistemas de generación de energía solar

(1) La energía solar es inagotable. La radiación solar que recibe la superficie terrestre puede satisfacer 10 000 veces la demanda energética mundial. La instalación de sistemas de energía solar en tan solo el 4 % de los desiertos del mundo puede generar suficiente electricidad para cubrir las necesidades globales. La generación de energía solar es segura y fiable, y no se ve afectada por las crisis energéticas ni por la inestabilidad de los mercados de combustibles. 

(2) La energía solar está disponible fácilmente y puede suministrarse localmente, eliminando la necesidad de transmisión a larga distancia y evitando las pérdidas por líneas eléctricas de gran longitud. 

(3) La generación de energía solar no tiene partes móviles, no se daña fácilmente y su mantenimiento es sencillo, lo que la hace especialmente adecuada para su uso desatendido. 

(4) La generación de energía solar no produce contaminación, ruido ni otros riesgos para la salud pública, y no tiene un impacto negativo en el medio ambiente, lo que la convierte en una fuente de energía limpia ideal. 

(5) Los sistemas de generación de energía solar tienen un ciclo de construcción corto, son prácticos y flexibles, y pueden ajustarse según las variaciones de la demanda, lo que permite añadir o reducir fácilmente los paneles solares para evitar el desperdicio.

4. Tres beneficios principales de la construcción de marquesinas fotovoltaicas

(1) La construcción de marquesinas solares puede reducir la presión sobre el suministro eléctrico urbano. Al aprovechar el espacio ocioso de las marquesinas, las marquesinas fotovoltaicas generan electricidad que pueden utilizar los vehículos, y el excedente puede venderse al estado, aliviando así la presión sobre el suministro eléctrico urbano. 

(2) La construcción de marquesinas solares permite ahorrar energía y generar ingresos. Estas marquesinas no solo brindan sombra y protección a los vehículos, sino que también generan electricidad, logrando así una situación beneficiosa tanto para la sociedad como para el medio ambiente. 

(3) La construcción de marquesinas fotovoltaicas refleja el concepto de protección ecológica urbana. Contribuye activamente al llamado nacional a la conservación de energía y la reducción de emisiones, disminuyendo las emisiones de carbono y, por ende, creando una ciudad moderna, baja en carbono y respetuosa con el medio ambiente.

II. Descripción general del proyecto

El sitio del proyecto se ubica en una zona climática subtropical húmeda con cuatro estaciones bien diferenciadas y abundantes lluvias. El promedio anual de lluvias es de 117 días, con una precipitación anual promedio de 1106,5 mm, una humedad relativa del 76 % y un período libre de heladas de 237 días. La temporada de lluvias, principalmente de ciruelas, se extiende desde finales de junio hasta principios de julio de cada año. La temperatura media anual es de 16,5 °C, con una temperatura máxima anual extrema de 39,7 °C y una mínima de -13,1 °C.

III. Bases de diseño

GB50217-2007 *Código para el diseño de cables para ingeniería eléctrica*

GB/T19939-2005 *Requisitos técnicos para la conexión a la red de sistemas fotovoltaicos*

IEEE1547:2003 *Norma para la interconexión de fuentes de energía distribuida con sistemas eléctricos*

IEEE1547.1:2005 *Procedimientos de prueba para equipos de interfaz entre fuentes de energía distribuida y sistemas eléctricos*

IEC62116 *Métodos de prueba para la protección contra el efecto isla de inversores para sistemas fotovoltaicos conectados a la red*

JGL/T16-92 *Código para el diseño eléctrico de edificios civiles*

GB50057-94 *Código para el diseño de protección contra rayos en edificios*

IV. Diseño del sistema

1. Diseño general

El proyecto consiste en un sistema de planta de energía fotovoltaica para un aparcamiento cubierto de 6 plazas con una capacidad instalada total de 17 600 W. Incorpora paneles solares monocristalinos de alta eficiencia de 550 Wp y un inversor híbrido de 15 kW. La estructura de soporte está fabricada en acero galvanizado, lo que le confiere una gran resistencia al viento, a los impactos y a la presión. El punto de conexión a la red eléctrica se encuentra en el interior, a menos de 100 metros.

(1) Generación de energía fotovoltaica en marquesinas:

Durante el periodo diurno de generación de energía fotovoltaica, que coincide con las horas punta de consumo o precio de la electricidad, la energía generada abastece directamente la demanda local, maximizando así los beneficios de la autogeneración y el autoconsumo.

(2) Almacenamiento en baterías solares de iones de litio: Durante las horas valle, la red eléctrica carga el sistema (de 22:00 a 8:00, un inversor de 15 kW carga el sistema de almacenamiento de baterías solares de iones de litio durante 3 horas, alcanzando su capacidad máxima de 16,07 kWh).

Durante las horas punta, el sistema de almacenamiento de baterías solares libera electricidad para abastecer la demanda local. El flujo bidireccional de electricidad y la tarificación por franjas horarias del sistema de almacenamiento de energía solar con baterías de iones de litio, es decir, "almacenamiento a bajo precio, uso a alto precio", consigue un suministro de energía de bajo coste desde los puntos de carga y reduce el consumo de carga local durante las horas punta, ahorrando en costes de electricidad.

2. Selección de inversores híbridos:

El inversor es el equipo principal del sistema de generación de energía fotovoltaica. Conecta los lados de CC y CA y debe contar con funciones de protección integrales y una salida de energía de alta calidad. La selección de inversores debe cumplir con los siguientes requisitos:

(1) Alta eficiencia de conversión: 

Cuanto mayor sea la eficiencia de conversión del inversor, mayor será la eficiencia de conversión del sistema de generación de energía fotovoltaica, menores serán las pérdidas totales de generación de energía y mayor será la eficiencia económica del sistema.

(2) Amplio rango de voltaje de entrada de CC: 

El voltaje en los terminales de los módulos de celdas solares varía con la irradiancia solar y la temperatura ambiente. Un amplio rango de voltaje de entrada de CC para el inversor permite aprovechar la generación de energía durante los períodos de menor irradiancia solar antes del amanecer y después del atardecer, extendiendo así el tiempo de generación de energía y aumentando la potencia de salida.

(3) Protección eficaz contra el efecto isla: 

El uso de múltiples métodos de detección del efecto isla garantiza el seguimiento y la detección precisos de parámetros como la tensión, la frecuencia y la fase cuando se produce una interrupción del suministro eléctrico en la red. Esto permite determinar rápidamente el estado del suministro eléctrico de la red, lo que posibilita el funcionamiento preciso del inversor y garantiza la seguridad de la red.

(4) Función de comunicación: 

El inversor debe proporcionar una interfaz de comunicación para cargar datos operativos en tiempo real, información sobre fallos, alarmas, etc., al sistema de monitorización de la subestación eléctrica. 

Este proyecto fotovoltaico distribuido para marquesinas está equipado con un inversor híbrido de 15 kW.

3. Paneles solares 

Este proyecto contempla el uso de módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino de alta eficiencia de 550 Wp. Los parámetros de los módulos se muestran en la tabla siguiente:

4. Diseño del sistema de montaje solar

El sistema de montaje solar utiliza chapa de acero laminado en frío Q235B o perfiles de aluminio. La selección de materiales y el diseño de soporte deben cumplir con la norma nacional GB50017, "Código para el diseño de estructuras de acero". La protección anticorrosiva del sistema de soporte debe cumplir con los siguientes requisitos: las vigas transversales, las abrazaderas de chapa ondulada y los conectores de las vigas transversales deben someterse a un pretratamiento y posterior galvanizado en caliente. La capa de zinc debe cumplir con los requisitos de la norma GB/T13912-2002, con un espesor mínimo de 65 µm. La superficie de la aleación de aluminio debe anodizarse con grado AA15. 

Todos los pernos de este proyecto deben cumplir con la norma nacional vigente "Pernos hexagonales - Grado C" (GB5780) y con los requisitos de protección anticorrosiva en obra. 

Los bloques de presión laterales y centrales están fabricados en aleación de aluminio. 

Según el "Código para el Diseño Sísmico de Edificios" (GB50011-2010), la intensidad sísmica del sistema de soporte es de 7 grados, la aceleración máxima del suelo en la zona del proyecto es de 0,1 g y el periodo característico del espectro de respuesta sísmica es de 0,40 s. 

El soporte fijo está fabricado con perfiles de acero resistentes a la corrosión. Todas las conexiones (uniones soldadas) deben estar firmemente unidas para evitar aflojamientos y deben ser resistentes a la corrosión causada por el viento, las heladas, la lluvia y la nieve. El soporte fijo debe cumplir con los requisitos de ángulo de inclinación de instalación, resistencia al viento, resistencia a la presión de la nieve, resistencia sísmica, resistencia a la corrosión, seguridad, versatilidad e instalación rápida.

Diseño de inclinación 

Para maximizar la energía solar recibida por la superficie del panel fotovoltaico, y considerando la relación orbital Tierra-Sol, lo ideal es que la superficie del panel se instale orientada hacia el ecuador (ángulo azimutal de 0 grados). En este proyecto, para maximizar el uso del área de la cochera, los módulos se instalan en una configuración horizontal.

5. Selección de Cables

(1) Principios de Selección 

• Verificación de las Condiciones Ambientales 

• Temperatura Ambiente 

• Radiación Solar 

• Velocidad del Viento 

• Contaminación 

• Altitud 

• La selección y el diseño de tendido de cables para centrales fotovoltaicas deben cumplir con las disposiciones del "Código para el Diseño de Cables para Ingeniería Eléctrica" GB50217. La sección transversal de los cables debe seleccionarse y determinarse tras una comparación técnico-económica. 

• Los cables instalados en zanjas y bandejas portacables deben ser preferiblemente cables ignífugos de Clase C o superior. 

• Los cables entre módulos fotovoltaicos y entre módulos y cajas de conexión deben contar con medidas de fijación y protección solar. 

• El tendido de cables puede realizarse mediante enterramiento directo, zanjas, bandejas portacables, canaletas, etc. Los cables de potencia y los cables de control deben disponerse preferiblemente por separado y cumplir con los requisitos mínimos de separación. 

• Está estrictamente prohibido utilizar las zanjas portacables como canales de drenaje. 

• Para la transmisión a larga distancia, se recomienda el uso de cables de fibra óptica para el cableado de red. 

• Selección de la tensión nominal del cable 

• La tensión nominal entre fases del núcleo del cable de alimentación en sistemas de corriente alterna (CA) no debe ser inferior a la tensión de línea de trabajo del circuito en uso. La selección de la tensión nominal entre el núcleo del cable y el blindaje aislante o la cubierta metálica de los cables de alimentación en sistemas de CA debe cumplir con las siguientes disposiciones:

① Para sistemas con neutro conectado directamente a tierra o a través de una impedancia baja, cuando la protección de puesta a tierra elimina la falla en 1 minuto, la tensión nominal debe ser el 100 % de la tensión de fase de trabajo del circuito. 

② Para sistemas de alimentación distintos a los especificados en el punto a), la tensión nominal no debe ser inferior al 133 % de la tensión de fase de trabajo del circuito; en casos donde una falla a tierra monofásica pueda durar más de 8 horas, o donde los requisitos de seguridad sean elevados, como en circuitos de generadores, se debe adoptar el 173 % de la tensión de fase de trabajo del circuito. 

3) El nivel de tensión de resistencia a impulsos de los cables en sistemas de CA deberá cumplir con los requisitos de coordinación del aislamiento del sistema. 

4) El nivel de aislamiento de los cables utilizados para la transmisión de CC deberá considerar los factores de variación de carga y cumplir con los requisitos de sobretensión interna. 

5) La tensión nominal de los cables de control no deberá ser inferior a la tensión de operación del circuito y deberá cumplir con los requisitos de sobretensión transitoria y de frecuencia industrial que se puede soportar. Asimismo, deberá cumplir con las siguientes disposiciones: 

① Para cables de control (cables guía) instalados en paralelo a cables largos de alta tensión, se deberá seleccionar una tensión nominal adecuada. 

② Para cables de control instalados en equipos de distribución de energía de alta tensión de 220 kV o superior, se deberá seleccionar 600/1000 V, o 450/750 V cuando el apantallamiento sea adecuado. 

③ Salvo en los casos indicados en ① y ②, generalmente se deberá seleccionar 450/750 V. Cuando la influencia de interferencias eléctricas externas es mínima, se puede seleccionar una tensión nominal inferior. 

· Selección de la sección transversal del cable: La sección transversal del cable debe cumplir con los requisitos de corriente continua admisible, estabilidad térmica ante cortocircuitos, caída de tensión admisible, etc. Para circuitos de alta corriente de larga distancia, también se recomienda seleccionar la sección transversal en función de la densidad de corriente económica.

(2) Tipo de cable 

De acuerdo con las condiciones de selección, el tipo y las especificaciones del cable seleccionados para este proyecto son los siguientes:

1) El cable desde la salida de la cadena fotovoltaica hasta el inversor es PV1-F1×4mm²; 

2) El cable de salida del inversor de 15 kW es ZC-YJV-0.6/1kV-4×16mm². 

3) El cable de puesta a tierra es BVR-450/750V10mm². 

6. Almacenamiento de energía solar con baterías de iones de litio

Las baterías solares se utilizan para cubrir picos y valles de la red eléctrica, regulando la continuidad y estabilidad del suministro eléctrico proveniente de sistemas de generación de energía renovable, y sirviendo como fuente de energía de emergencia y de respaldo para departamentos e instalaciones críticas. 

Alto rendimiento de seguridad: Utiliza celdas de fosfato de hierro y litio de alta calidad, garantizando la ausencia de incendios o explosiones. 

Larga vida útil: Hasta 6000 ciclos, con una vida útil de hasta 10 años. 

Multifuncionalidad de comunicación: Equipada con múltiples interfaces de comunicación como CAN2.0 y RS485, facilitando diversos métodos de comunicación. 

Excelente rendimiento de carga y descarga: Admite descargas de alta corriente, una plataforma de voltaje estable, una curva de descarga suave, alta eficiencia de conversión y mejor aprovechamiento de la energía. 

Mantenimiento sencillo: Diseño modular, alta fiabilidad y fácil mantenimiento.

7. Protección contra rayos y puesta a tierra 

La protección contra rayos y la puesta a tierra de este proyecto fotovoltaico de cochera con estructura de acero cumplen principalmente con la norma GB50057 "Código para el diseño de protección contra rayos en edificios". 

La trayectoria de intrusión del rayo en un sistema fotovoltaicoEl sistema de generación de energía incluye no solo los paneles solares, sino también las líneas de distribución eléctrica, los cables de puesta a tierra y sus combinaciones. Para garantizar el funcionamiento seguro del sistema eléctrico y la seguridad de la generación y las instalaciones fotovoltaicas, las centrales fotovoltaicas conectadas a la red deben contar con dispositivos eficaces de protección contra rayos y de puesta a tierra. Dado que la ubicación de la instalación exterior del equipo en este proyecto no es el edificio más alto de la zona, todas las estructuras de acero están conectadas y combinadas con pilotes de puesta a tierra añadidos recientemente para formar una red de protección contra rayos y cumplir con el propósito de dicha protección.

En este proyecto se adoptan las siguientes medidas de protección contra rayos y puesta a tierra: Los marcos de aleación de aluminio y los soportes metálicos de los paneles solares están soldados de forma segura a la pletina de acero de protección contra rayos mediante una pletina de acero de puesta a tierra. Una puesta a tierra fiable es crucial para la protección contra rayos del sistema y el uso seguro de la energía. En este diseño, los soportes, los marcos de los módulos fotovoltaicos y los conectores son todos metálicos. El conjunto fotovoltaico forma de forma natural un cuerpo equipotencial y está conectado de forma segura a la red de puesta a tierra cercana. La resistencia de puesta a tierra en cada punto de conexión debe ser inferior a 4 ohmios. La salida de CA del inversor se conecta a la red eléctrica mediante una caja combinadora de CA (que incluye un dispositivo de protección contra rayos), lo que previene eficazmente los daños al equipo causados por descargas atmosféricas y sobretensiones en la red. Todos los armarios eléctricos deben contar con una buena conexión a tierra, y la resistencia de puesta a tierra de cada punto de conexión debe ser inferior a 4 ohmios.

V. Generación de Energía y Análisis de Beneficios 

1. Generación de Energía Teórica 

Con base en la radiación solar total mensual promedio en el sitio del proyecto, se pueden calcular las horas pico de sol mensuales y anuales para este proyecto. 

Horas Pico de Sol: Las horas pico de sol son el número equivalente de horas bajo condiciones de operación estándar (irradiancia de 1000 W/m²) en el plano donde se ubican los módulos de celdas solares durante un período de tiempo determinado. 

Si la radiación solar recibida por los módulos de células solares en 1 hora es de 1 kWh/m², entonces, según la definición de horas pico de sol, el valor de t se puede obtener de la siguiente manera: 

t = (1 kWh/m²·año) / (1000 W/m²) = 1 (h/año) 

Dado que la potencia pico de los módulos de células solares se calibra bajo condiciones de 1000 W/m², la generación de energía teórica máxima de la planta fotovoltaica se obtiene multiplicando las horas pico de sol por la capacidad instalada de la planta. 

Este proyecto comprende la instalación de 32 módulos fotovoltaicos estándar de silicio monocristalino de 550 Wp, con una capacidad instalada total de 17 600 kWp. Los módulos fotovoltaicos seleccionados miden 2274 mm × 1134 mm × 35 mm y se instalan mediante un sistema de montaje inclinado con fijación mediante soportes. 

La duración efectiva anual de la insolación es de 1913,5 a 2161,5 horas. Los cálculos muestran que la generación teórica anual de energía del sistema fotovoltaico para este proyecto es de 33 677 kWh.

2. Generación teórica anual de energía: La generación teórica de energía de la planta fotovoltaica durante el primer año se calcula multiplicando la generación teórica máxima de energía de la planta por el coeficiente de degradación de los módulos solares durante ese primer año. El coeficiente de degradación de los módulos solares de silicio monocristalino seleccionados para este proyecto es del 8 % durante el primer año. Por lo tanto, la generación teórica de energía de la planta fotovoltaica durante el primer año se obtiene multiplicando la generación teórica anual de energía por el coeficiente de degradación del módulo.

3. Análisis de la eficiencia del sistema de generación de energía fotovoltaica 

La eficiencia de un sistema de generación de energía solar fotovoltaica incluye: la eficiencia por envejecimiento de las celdas solares, las pérdidas del sistema de baja tensión CA/CC y la eficiencia por envejecimiento de otros equipos, la eficiencia del inversor y la eficiencia por pérdidas en el transformador y la red eléctrica. Con base en la situación real de generación de energía y los coeficientes de experiencia de proyectos nacionales e internacionales relevantes, los valores de cada coeficiente de eficiencia son los siguientes:

(1) Pérdidas en el cable de CC: 2%; 

(2) Pérdidas en el diodo antirretroceso y en las uniones de cables: 1,5%; 

(3) Pérdidas por desajuste de paneles: 4%; 

(4) Pérdidas por sombreado de polvo: 2%; 

(5) Pérdidas en la línea de CA: 0,8%; 

(6) Pérdidas en el inversor: 2%; 

(7) Pérdidas por radiación solar no utilizable: 1,2%; 

(8) Pérdidas por fallas y mantenimiento del sistema: 1%; 

(9) Pérdidas en el transformador: 3%; 

(10) Pérdidas por efecto de la temperatura: 4%. Tras el cálculo y el análisis, la eficiencia global del sistema es del 81%.

VI. Beneficios Económicos y Sociales 

1. Beneficios Económicos 

Según el análisis anterior, la capacidad instalada total de esta central fotovoltaica es de 17.600 kWp, y la generación acumulada de energía durante 25 años de operación continua es de 841.929 kWh. 

La generación de energía fotovoltaica permite ahorrar en costos de electricidad: Dado que la capacidad instalada de la central fotovoltaica es relativamente pequeña en comparación con la demanda eléctrica, la mayor parte de la electricidad generada puede utilizarse para autoconsumo. Con una vida útil de diseño de 25 años para la central fotovoltaica, y con un precio de la electricidad de 0,12 USD, el ahorro estimado en costos de electricidad es de 76.582 USD.

2. Beneficios Ambientales Integrales 

La generación de energía fotovoltaica no contamina el medio ambiente ni emite gases de efecto invernadero durante el proceso de generación, lo cual representa una gran ventaja. Actualmente, el suministro eléctrico principal de mi país proviene de centrales térmicas de carbón. Durante la combustión del carbón, se emiten grandes cantidades de gases nocivos como el dióxido de azufre, que contaminan el medio ambiente, además de grandes cantidades de dióxido de carbono. Como es sabido, el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero, y sus emisiones excesivas son un factor importante del calentamiento global. Una vez que el sistema de generación de energía fotovoltaica esté en funcionamiento, tendrá emisiones completamente nulas. Considerando un periodo de funcionamiento estable de 25 años, la generación de energía acumulada teórica de este sistema podría alcanzar los 841.929 kWh.

Nota: Ahorrar 1 kWh de electricidad equivale a ahorrar 0,36 kg de carbón estándar, reduciendo simultáneamente las emisiones contaminantes en 0,272 kg de partículas de carbono, 0,997 kg de dióxido de carbono (CO₂), 0,03 kg de dióxido de azufre (SO₂) y 0,015 kg de óxidos de nitrógeno (NOx).